JP2010215944A - Shot for peening, and method for producing the shot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はショットピーニング法により材料の表面に残留圧縮応力を付与するためのショットピーニング用ショットおよびそのショットの製造方法に関する。 The present invention relates to a shot for shot peening for applying a residual compressive stress to the surface of a material by a shot peening method, and a method for manufacturing the shot.
原子炉炉内構造物は高温高圧水中において耐食性に優れるオーステナイト系ステンレス鋼やニッケル基合金が使用されるが、引張応力が残留する溶接部あるいは機械加工を受けた部材で応力腐食割れ(SCC)が発生する可能性があることが知られている。 Austenitic stainless steel or nickel-base alloy that has excellent corrosion resistance in high-temperature and high-pressure water is used for the reactor internal structure. However, stress corrosion cracking (SCC) occurs in welded parts with residual tensile stress or machined parts. It is known that it can occur.
その対策として、より耐SCC性の高い材料の採用、及び、水質制御あるいは残留応力改善によりSCCの発生を未然に防止する対策が行われてきている。特に、SCCの一要因である引張残留応力を圧縮に変換することによりSCCの発生を抑制する目的で、ピーニングと呼ばれる応力改善プロセスが開発され、適用されている(特許文献1参照)。 As countermeasures, countermeasures have been taken to prevent the occurrence of SCC by adopting a material having higher SCC resistance and controlling water quality or improving residual stress. In particular, a stress improvement process called peening has been developed and applied for the purpose of suppressing the occurrence of SCC by converting tensile residual stress, which is a factor of SCC, into compression (see Patent Document 1).
また、原子力分野に限らず腐食環境で使用される機器、部品の信頼性向上、寿命延長の目的で表面に高耐食性を有する表面層を形成する技術が公開されている(特許文献2参照)。さらに、自動車などの輸送機器や回転機器に使用される摺動性を要求される部品に対して、レーザピーニングによる表面改質方法を適用し表面の硬度あるいは潤滑性を改善する手法が公開されている(特許文献3参照)。また、超音波ピーニングにより材質改善コーティングを行う工法が公開されている(特許文献4参照)。 Moreover, the technique which forms the surface layer which has high corrosion resistance on the surface for the purpose of the reliability improvement of not only the nuclear field but the apparatus used in a corrosive environment, components, and lifetime extension is disclosed (refer patent document 2). Furthermore, a method for improving surface hardness or lubricity by applying a surface modification method by laser peening to parts that require sliding properties used in transportation equipment and rotating equipment such as automobiles has been released. (See Patent Document 3). In addition, a method for performing material improvement coating by ultrasonic peening has been disclosed (see Patent Document 4).
商用軽水炉として沸騰水型原子炉(BWR)と加圧水型原子炉(PWR)が国内外で稼働中であるが、主要機器はいずれも高温高圧水環境に曝されている。特に、運転開始から長期間経過した高経年化プラントでは、応力腐食割れ(SCC)という残留応力、環境、材質劣化が重畳して発生する損傷事例が報告されている。残留応力は主に構造物溶接部に発生する引張残留応力であり、環境因子としてはBWRの場合、溶存酸素、各種不純物、PWRにおいては温度、特定濃度範囲の水素がその要因として挙げられている。また、材質面では粒界近傍のクロム濃度の低下が一因と言われている。 Boiling water reactors (BWR) and pressurized water reactors (PWR) are operating in Japan and abroad as commercial light water reactors, but all major equipment is exposed to high-temperature and high-pressure water environments. In particular, in an aging plant that has been in operation for a long time since the start of operation, there has been reported an example of damage caused by superposition of residual stress, environment, and material deterioration called stress corrosion cracking (SCC). Residual stress is mainly the tensile residual stress generated in the welds of structures. In the case of BWR, environmental factors include dissolved oxygen, various impurities, temperature in PWR, and hydrogen in a specific concentration range. . Moreover, it is said that the decrease in the chromium concentration in the vicinity of the grain boundary is partly due to the material.
SCC対策としてBWR、PWRとも各種対策工法が開発され実機に適用されている。残留応力因子を抑制する立場からはピーニング工法がBWR、PWR両プラントで適用されてきている。 As a countermeasure against SCC, various countermeasure methods for BWR and PWR have been developed and applied to actual machines. From the standpoint of suppressing the residual stress factor, the peening method has been applied to both BWR and PWR plants.
古くはPWRの蒸気発生器(SG)のSCC対策としてショットピーニング(SP)が適用され、その効果が実証されてきている。また、BWR、PWRの炉内機器の残留応力改善技術としては遠隔施工性に優れたレーザピーニング(LP)やウォータジェットピーニング(WJP)が実用化されている。また、環境因子抑制の点からは、BWRプラントにおける水素注入による溶存酸素濃度の低減や、ノーブルメタル注入技術が適用され、その効果が実証されつつある。さらに、材質面の改善として、従来の材料と比較して高クロム化を計ったニッケル基溶接金属の適用、あるいは高クロムニッケル基合金が開発されPWRの取替え機器などに適用されてきている。 In the old days, shot peening (SP) has been applied as an SCC countermeasure for the steam generator (SG) of PWR, and its effect has been demonstrated. Laser peening (LP) and water jet peening (WJP), which are excellent in remote workability, have been put to practical use as a residual stress improvement technique for in-furnace equipment of BWR and PWR. Moreover, from the point of environmental factor suppression, the reduction of the dissolved oxygen concentration by the hydrogen injection in a BWR plant and the noble metal injection technique are applied, and the effect is being demonstrated. Furthermore, as a material improvement, the application of a nickel-base weld metal with higher chromium compared to conventional materials, or a high-chromium nickel-base alloy has been developed and applied to PWR replacement devices and the like.
しかしながら、いずれの工法も3因子のうちの1因子のみを改善するものであり、機器によっては製造履歴により不可避的に形成される機械加工層、運転中の熱、外部負荷履歴などの影響が重なることによりSCCが誘発される懸念もある。したがって、複数の因子を同時に低コストで改善できるプロセスが開発されれば、より確実なSCCの発生防止が可能となり、原子炉機器の信頼性向上につながり、経済性の高いプラントの実現に貢献することができる。 However, each method improves only one of the three factors, and depending on the equipment, the influence of the machining layer inevitably formed by the manufacturing history, heat during operation, external load history, etc. overlap. There is also a concern that SCC is induced. Therefore, if a process that can improve multiple factors at the same time at low cost is developed, it will be possible to more reliably prevent the occurrence of SCC, improve the reliability of nuclear reactor equipment, and contribute to the realization of a highly economical plant. be able to.
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、材料表面に圧縮残留応力層と、高耐食性元素のコーティング層とを同時に形成し、高温高圧水環境中において材料の耐食性を向上することができるピーニング用ショットおよびその製造方法を提案する。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and simultaneously forms a compressive residual stress layer and a coating layer of a high corrosion resistance element on the surface of the material, thereby improving the corrosion resistance of the material in a high temperature and high pressure water environment. A peening shot and a method for manufacturing the same are proposed.
上記課題を解決するために、本発明においては、材料表層に圧縮残留応力層を形成させ、材料表面に高耐食性を有する元素であるクロムを付与する表面改質方法に使用する鉄−クロム−ニッケル合金製ピーニング用ショットであって、使用するショットの表面層のクロム量が中心部に比べて多いことを特徴とする鉄−クロム−ニッケル合金製ピーニング用ショット、および球状の鉄−クロム−ニッケル合金を真空中で加熱処理することにより、表面層のクロム量を多く含む表面層を形成させることを特徴とする上記ピーニング用ショットの製造方法を提供する。 In order to solve the above problems, in the present invention, an iron-chromium-nickel used in a surface modification method for forming a compressive residual stress layer on a material surface layer and imparting chromium, which is an element having high corrosion resistance, to the material surface. A shot for peening made of an iron-chromium-nickel alloy and a spherical iron-chromium-nickel alloy, characterized in that the amount of chromium in the surface layer of the shot used is higher than that of the center portion. The method for producing the peening shot is characterized in that a surface layer containing a large amount of chromium in the surface layer is formed by heat treatment in a vacuum.
本発明にかかるピーニング用ショットおよびそのショットの製造方法によって、材料表面に圧縮残留応力層と、高耐食性元素のコーティング層とを同時に形成し、高温高圧水環境中において材料の耐食性を向上させることができる。 By the peening shot according to the present invention and the manufacturing method of the shot, it is possible to simultaneously form a compressive residual stress layer and a coating layer of a high corrosion resistance element on the surface of the material, thereby improving the corrosion resistance of the material in a high temperature and high pressure water environment. it can.
以下、本発明に係るショットおよび表面改質方法の実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the shot and surface modification method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施例)
図1を用いて本発明に係わる実施例1を説明する。図1(a)は本発明に係るピーニング用ショットの断面を模式的に示した図である。なお、以下に示す成分の%は質量%を示している。
(Example)
A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a diagram schematically showing a cross section of a peening shot according to the present invention. In addition,% of the component shown below has shown the mass%.
図1において例えばクロムを25.28%、ニッケルを19.38%、炭素を0.05%、マンガンを0.99%、ケイ素を0.75%、残部が鉄であるSUS310S製の略球状のショットを真空中で熱処理することにより、中心部1の材質がSUS310Sであり、表面層がクロムを多く含む層2となるピーニング用ショットを製造することができる。
In FIG. 1, for example, a substantially spherical shape made of SUS310S having 25.28% chromium, 19.38% nickel, 0.05% carbon, 0.99% manganese, 0.75% silicon, and the balance iron. By heat-treating the shot in vacuum, it is possible to manufacture a peening shot in which the material of the central portion 1 is SUS310S and the surface layer is the
図1(b)および(c)は、図1(a)のA部を拡大した表面近傍要部拡大図と、図1(b)におけるBラインにおけるクロム量と表面からの距離との関係を示した図である。 FIGS. 1B and 1C show an enlarged view of the main part in the vicinity of the surface obtained by enlarging part A in FIG. 1A, and the relationship between the amount of chromium and the distance from the surface in line B in FIG. FIG.
クロムを多く含む層2は、表面から5μmまでの範囲でクロム量が中心部に比べて高くなっている。表面部のクロム量が50%と最も大きく、表面からの距離が増加するに伴い、クロム量が原料であるSUS310Sの略25%に近づく。図1示した表面にクロムを多く含むショットをピーニングに使用することにより、材料表面に圧縮残留応力層を形成し、かつ、ショット表面層の移着による高耐食性元素のコーティング層を形成することが可能となる。このとき、高耐食性元素のコーティング層を形成するためには、クロムを多く含む表面層の厚さが少なくとも1μm以上必要である。
In the
また、本実施例ではクロムが50%の量で説明したがピーニング効果が得られる硬さではクロムの量が多ければ良く、多ければより短時間のショット加工時間で被加工表面のクロムの量を多くすることができる。このため最低限、被加工材表面のクロム濃度よりもクロムの濃度が高ければ良い。 In this embodiment, the amount of chromium is 50%. However, the hardness of the peening effect is sufficient if the amount of chromium is large. If it is large, the amount of chromium on the surface to be processed can be reduced in a shorter shot processing time. Can do a lot. For this reason, it is sufficient that the chromium concentration is higher than the chromium concentration on the surface of the workpiece.
図2は本発明におけるピーニング用ショットの製造方法のフロー図であり、はじめに鉄−クロム−ニッケル合金の素材(S1)から、球状のショットを作成する(S2)。例えば、SUS310S製の丸棒(φ3mm)を3mm長さに切断し、球状に加工するラウンドカット処理をすることにより、直径φ3mmの球状ショットを作成することができる。 FIG. 2 is a flowchart of a method for manufacturing a peening shot according to the present invention. First, a spherical shot is created from an iron-chromium-nickel alloy material (S1) (S2). For example, a round shot with a diameter of 3 mm can be created by cutting a round bar (φ3 mm) made of SUS310S into a length of 3 mm and processing it into a spherical shape.
次にショットを真空中で加熱処理する(S3)ことにより、ショット表面にクロムを多く含む層を形成することができる。ショットを真空中に保持する方法としては、真空チャンバーを有する加熱炉を用いる方法や、石英管にショットを真空封入する方法がある。このときの真空度は10-4Pa以下、加熱処理の温度は980〜1020℃、加熱処理時間は60〜80分間の条件が、クロムを多く含む層の形成に適した条件である。 Next, the shot is heat-treated in vacuum (S3), whereby a layer containing a large amount of chromium can be formed on the shot surface. As a method of holding the shot in vacuum, there are a method using a heating furnace having a vacuum chamber and a method of vacuum-sealing the shot in a quartz tube. At this time, the degree of vacuum is 10 −4 Pa or less, the temperature of the heat treatment is 980 to 1020 ° C., and the heat treatment time is 60 to 80 minutes, which is a suitable condition for forming a layer containing a large amount of chromium.
図3は、ショット表面にクロムを多く含む層が形成される原理を模式的に示す説明図である。なお、図3(b)および(c)は、図3(a)のA部を拡大した表面近傍要部拡大図と、図3(b)におけるDラインにおけるクロム量と表面からの距離との関係を示した図である。 FIG. 3 is an explanatory view schematically showing the principle of forming a layer containing a large amount of chromium on the shot surface. 3 (b) and 3 (c) are an enlarged view of the main part in the vicinity of the surface in which part A in FIG. 3 (a) is enlarged, and the amount of chromium in the D line in FIG. 3 (b) and the distance from the surface. It is the figure which showed the relationship.
クロムの蒸気圧は、鉄やニッケルに比べて大きい。例えば絶対温度1373Kで、クロムと鉄の蒸気圧は、それぞれ3.3×10−3Paと8.9×10−4Paである。 The vapor pressure of chromium is higher than that of iron or nickel. For example, at an absolute temperature of 1373 K, the vapor pressures of chromium and iron are 3.3 × 10 −3 Pa and 8.9 × 10 −4 Pa, respectively.
図3(a)に示す球状の鉄−クロム−ニッケル合金3を真空中で加熱すると、表面近傍において蒸気圧の大きいクロムが合金中から選択的に蒸発するため、図3(b)に示すように中心部から表面に向かってクロムが移動する。 When the spherical iron-chromium-nickel alloy 3 shown in FIG. 3 (a) is heated in a vacuum, chromium having a high vapor pressure is selectively evaporated from the alloy in the vicinity of the surface, and as shown in FIG. 3 (b). The chrome moves from the center to the surface.
図3(c)は表面近傍のクロム量分布であり、実線4は熱処理前のクロム量、破線5は熱処理後のクロム量分布を示す。蒸気圧の違いにより中心部から表面に向かってクロムが移動するため、表面近傍のクロム量が次第に大きくなる。このとき、真空度を10−4Pa以下とし、加熱処理の温度を980〜1020℃、加熱処理時間を60〜80分間とすると、ショット表面にクロム量の多い層が形成される。
FIG. 3C shows the chromium content distribution near the surface, the
なお、球状の鉄−クロム−ニッケル合金3の化学成分としては、SUS310Sの代わりに、熱処理によって表面にクロムが移動し、表面にクロム量の多い層が形成されるクロムを24〜26%、ニッケルを19〜22%含むSUS304や、クロムを16〜18%、ニッケルを10〜14%含むSUS316を用いてもよい。 In addition, as a chemical component of the spherical iron-chromium-nickel alloy 3, instead of SUS310S, chromium moves to the surface by heat treatment, and a layer having a large amount of chromium is formed on the surface. SUS304 containing 19 to 22%, or SUS316 containing 16 to 18% chromium and 10 to 14% nickel may be used.
1… 中心部
2… クロムを多く含む表面層
3… 球状の鉄−クロム−ニッケル合金
4… 熱処理前のクロム量分布
5… 熱処理後のクロム量分布
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
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KR101422776B1 (en) * | 2014-03-20 | 2014-07-28 | (주)한국마루이 | The prevention method of corrosion of austenitic stainless steel welds |
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2009
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